Fyzici teraz dosiahli zaujímavý výsledok. Svetlo v experimente vykázalo správanie, ktoré vedci celé desaťročia spájali len s elektrónmi. Fotóny totiž napodobnili kvantový Hallov jav, teda fenomén, ktorý patrí medzi najpresnejšie a najdôležitejšie objavy modernej fyziky.
Tento jav už dávno zohral veľkú úlohu vo vede. Priniesol niekoľko Nobelových cien a pomohol vytvoriť extrémne presné štandardy merania. Doteraz sa však objavil len v elektronických systémoch. Svetlo do tejto kategórie jednoducho nezapadalo.
Odoberaj Vosveteit.sk cez Telegram a prihlás sa k odberu správ
Nový experiment však naznačil, že hranica medzi týmito dvoma svetmi nie je taká pevná, ako sa kedysi zdalo, informuje portál SciTech Daily.
Ide o starý efekt, ktorý ovplyvňuje aj modernú fyziku
Vedci objavili Hallov jav v 19. storočí. Ten hovorí, že ak cez vodič prejde elektrický prúd a zároveň naň kolmo pôsobí magnetické pole, elektróny sa vychýlia na jednu stranu materiálu. Na jednej hrane vodiča sa nahromadí záporný náboj, na druhej vznikne kladný. Medzi okrajmi materiálu sa tak objaví malé napätie.
Tento efekt sa stal veľmi užitočným nástrojom. Vedci pomocou neho merali magnetické pole alebo vlastnosti polovodičov.
Populárna spravodajská aplikácia pre iOS a Android dostala veľkú aktualizáciu. Pribudlo množstvo nových funkcií, ktoré musíš vyskúšať
Skutočný zlom však prišiel až v 80. rokoch. Fyzici skúmali extrémne tenké materiály pri veľmi nízkych teplotách a silných magnetických poliach. Napätie sa nezačalo zvyšovať plynulo, ale po presných kvantových stupňoch.
Tieto „schody“ mali zvláštnu vlastnosť, nezáviseli od materiálu, jeho tvaru ani od mikroskopických nečistôt. Určili ich len základné konštanty prírody. Tak vznikol kvantový Hallov jav.
Topológia je v tomto prípade najdôležitejší pojem
Práve táto nezávislosť od nedokonalostí fascinuje fyzikov dodnes. Vo fyzike sa tomuto javu hovorí topologická ochrana.
Predstav si klasický elektrický kábel. Ak v ňom vznikne nečistota alebo drobné poškodenie, elektróny do nej narazia a stratia časť energie. Vznikne odpor.
Zdroj: Triff / Shutterstock.com
V kvantovom Hallovom režime sa však častice správajú inak. Skôr pripomínajú vodu v rieke, ktorá narazí na kameň a jednoducho ho obtečie. Tok pokračuje bez spätného rozptylu.
Pre budúce optické čipy by to znamenalo zaujímavú výhodu. Dáta by sa mohli prenášať aj v zariadeniach, ktoré nie sú dokonale vyrobené alebo majú drobné poškodenia.
Svetlo nemá náboj, čo robilo vedcom problém
Elektróny majú elektrický náboj, preto reagujú na elektrické a magnetické polia. Fotóny, teda častice svetla, nič také nemajú. To bol hlavný dôvod, prečo fyzici dlho považovali Hallov jav pre svetlo za takmer nemožný.
Výskumníci však našli spôsob, ako tento problém obísť.
„Svetlo sa posunulo do strán v presne kvantovaných krokoch, ktoré pripomínajú správanie elektrónov v silnom magnetickom poli,“ vysvetlil fyzik Philippe St-Jean z Université de Montréal, ktorý sa na výskume podieľal.
Kľúčom k objaveniu fotónového Hallovho javu bolo „oklamať“ svetlo
Keďže fotóny nereagujú na magnetické pole, vedci museli použiť trik. Svetlo neposlali po jednej priamke. Prechádzalo cez sieť drobných optických rezonátorov, malých dráh, ktoré sa navzájom prepájali. Pri každom preskoku medzi nimi získal fotón malé fázové oneskorenie.
Z pohľadu matematiky sa tento efekt správa presne tak, ako keby na časticu pôsobilo magnetické pole.
Vedci teda vytvorili syntetické magnetické pole bez magnetu. Celý efekt vznikol len vďaka presne navrhnutej geometrii systému.
„Pozorovanie kvantovaného driftu svetla je mimoriadne náročné, pretože fotonické systémy prirodzene neudržia rovnováhu,“ dodal St-Jean: „Svetlo vyžaduje veľmi presnú kontrolu a stabilizáciu.“
Svetlo nám môže pomôcť odomknúť nové dimenzie
Fotóny majú ešte jednu výhodu. Nesú viac vlastností, s ktorými vedci dokážu pracovať, napríklad farbu, polarizáciu alebo čas príchodu signálu.
Vďaka tomu sa dá vytvoriť niečo, čo fyzici nazývajú syntetické dimenzie. Systém potom simuluje prostredie s viacerými rozmermi, než aké existujú v bežnom priestore.
V elektronike sa kvantový Hallov jav objavil pôvodne v dvojrozmerných materiáloch. Pri svetle však vedci dokážu modelovať aj zložitejšie scenáre, napríklad štvorrozmerný Hallov jav.
Takéto experimenty umožňujú skúmať fyzikálne javy, ktoré by v klasických materiáloch vôbec nevznikli.
Zdroj: Unsplash(Jeremy Perkins)
Kvantový Hallov jav už dnes zohráva dôležitú úlohu v metrológii, vede o presnom meraní.
„Dnes definujeme kilogram pomocou základných fyzikálnych konštánt a presných elektrických meraní,“ uviedol St-Jean: „Kvantový Hallov jav poskytol univerzálny štandard elektrického odporu.“
Ak podobný princíp začne fungovať aj v optických systémoch, fyzici získajú nové nástroje pre merania, senzory alebo kvantové technológie.
Experiment zatiaľ predstavuje skôr základný výskum než okamžitú technologickú aplikáciu. Ukázal však, že svetlo dokáže napodobniť javy, ktoré sme ešte nedávno považovali za výlučne elektronické.
Presné využitie tohto objavu zatiaľ vedci len skúmajú. Fotónové systémy však už teraz naznačujú, že kvantová fyzika môže ponúknuť ešte oveľa širší priestor, než sme si donedávna vedeli predstaviť.
Páčil sa vám článok? Sledujte nás na Facebooku